Elektrik direnci, bir malzemenin elektrik akımının akışına ne kadar karşı çıktığını gösteren fiziksel bir niceliktir. Ohm (Ω) olarak ölçülür ve Uluslararası Birimler Sisteminin (SI) temel birimlerinin en son revizyondan geçtiği 2019’dan beri, Ohm Von Klitzing sabiti h/e2 cinsinden tanımlanmıştır, burada h ve e sırasıyla Planck sabiti ve bir elektron üzerindeki yüktür.
Japonya’daki araştırmacılar, güçlü manyetik alanlara duyulan ihtiyacı ortadan kaldıracak standart elektrik direnci birimini tanımlamanın yeni bir yolunu önerdiler.
Sıradan kuantum Hall etkisi yerine kuantum anormal Hall etkisine dayalı bir standart oluşturacak olan yeni öneri, tek bir kuantum direnci ölçmek için gereken deney düzeneğini önemli ölçüde basitleştirecektir. Şimdi kısaca Hall Etkisi nedir bilgi verelim.
Hall Etkisi Nedir?
Hall etkisi, iletkendeki bir elektrik akımına ve akıma dik olarak uygulanan bir manyetik alana çapraz olan bir elektrik iletkeni boyunca bir voltaj farkının (Hall voltajı) üretilmesidir. 1879 yılında Edwin Hall tarafından keşfedilmiştir.
Yazımıza tekrar dönersek;
Bu direnci yüksek hassasiyetle ölçmek için bilim adamları, von Klitzing sabitinin, güçlü bir manyetik alan varlığında iki boyutlu bir elektron sisteminin Hall direncindeki nicelenmiş değişiklikle ilgili olduğu gerçeğini kullanırlar.
Dirençteki bu nicelenmiş değişiklik, kuantum Hall etkisi (QHE) olarak bilinir ve GaAs veya AlGaAs gibi bir malzemede, yaklaşık 10 Tesla’lık alanlarda kendini gösterir. Bununla birlikte, bu kadar yüksek alanlar oluşturmak tipik olarak bir süper iletken elektromıknatıs gerektirir ve bu tür mıknatıslarla ilişkili başıboş alanlar, QHE tabanlı bir direnç standardını voltaj standardıyla entegre etmeyi zorlaştırır. .
Süper İletken Mıknatıs Gerekmiyor
Japon araştırmacılar Yuma Okazaki liderliğindeki bir ekip, Minoru Kawamura ve Sendai’deki Tohoku Üniversitesi’ndeki meslektaşları ile birlikte süper iletken bir mıknatıs kullanmadan nicemlenmiş direncin yüksek hassasiyetli ölçümleri gerçekleştirdiler.
Bunu, ölçümlerini, ferromanyetik topolojik izolatörler olarak bilinen bir malzeme ailesinde yakın zamanda tanımlanan elektron taşıma fenomenlerinden kaynaklanan QHE’nin bir varyantı olan kuantum anormal Hall etkisine (QHAE) dayandırarak yaptılar.
Araştırmacılar, ticari olarak temin edilebilen küçük bir kalıcı mıknatıs kullanarak dirençteki değişim değerini yüksek hassasiyetli ölçümlerini elde edebildiler.
Nature Physics’te yayınlanan bir çalışmada ekip, Hall direncini 10-8 Ω-1 hassasiyetinde ölçtüklerini bildirdi.
Bu, QAHE tabanlı ölçümlerin birincil direnç standardı olarak hizmet etmesi için yeterince doğru olmayan, ölçüm belirsizliğinin 107 ‘de birkaç kısımdan fazla olduğu önceki raporlarla çelişmektedir.
Çalışmanın baş yazarı Okazaki, “Sonucumuz, süper iletken elektromıknatıs içermeyen kuantum direnç standardına yönelik önemli bir kilometre taşıdır” diyor.
Bu tür yüksek hassasiyetli ölçümler elde etmenin anahtarının, QAHE’nin bozulduğu kritik akımda bir artış olduğunu açıklıyor.
Bu akım, nicelenmiş direnci sürdürmek için gereken elektrik akımının üst sınırıdır ve QAHE’nin daha önceki çalışmaları, bunun ferromanyetik topolojik yalıtkan filmin kalitesine bağlı olduğunu ortaya çıkarmıştır.
Okazaki, “Kalitesini iyileştirmek için film kalitesiyle ilgili çeşitli parametreleri optimize ettik. Bunlar kimyasal bileşimi ve büyüdüğü sıcaklıktır” dedi.
“Sonuç olarak, daha önce bildirilen değerlerden bir veya iki büyüklük sırası daha yüksek olan yaklaşık 1 mikroamperlik bir kritik akım elde ediyoruz.”
Araştırmacılar, mevcut cihazlarında QAHE’yi yalnızca 0.1 K’nin altındaki sıcaklıklarda gözlemleyebildiklerini belirtiyorlar.
Bu kadar düşük çalışma sıcaklıklarına ulaşmak, 3He/4He seyreltme buzdolabı gibi pahalı bir kriyojenik sistem gerektirdiğinden, bunun ideal olmaktan uzak olduğunu kabul ediyorlar.
Okazaki, bu değerin 0,3 K’nin üzerine çıkarılmasının yararlı olacağını, çünkü bu tür sıcaklıkların daha kompakt ve daha düşük maliyetli bir 3He sorpsiyonlu buzdolabı ile elde edilebileceğini söylüyor.
Ferromanyetik topolojik yalıtkan filmin büyüme koşullarının daha fazla optimize edilmesinin yanı sıra diğer konak malzemelerinin kullanılması, böyle bir sıcaklık artışını mümkün kılabilir, diyor.
Kaynak: Physicsworld